风力摆控制系统设计报告.docx

大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统
计算机学院目:
风力摆控制系统
负责人:
指导老师：张保定时间：2017年5月20日
本系统采用K60开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机（无刷电机+扇叶）、激光头、反：摆杆与风机之间使用一个直流电机或者舵机连接，这样可以随时改变风机的方
向，同时可减少风机的数量，控制量减少。但是此方案连接结构较为复杂，发挥部分圆周运动稳定性不局。
方案二：摆杆与风机之间采用刚性连接，连接较为简单，稳定性能较好。
综上考虑，我们选择方案二。
:、。MPU6050集成了
3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计。可根据三角函数公式，可计算出此时摆杆距离中心位置的距离（见图3）。内部有一个数字运动处理器DMP。测试过程中,MPU6050
与单片机之间进行通信，距离较长，走线较多，干扰较大导致读数不准确，所以在SCL与SDA上拉2K电阻，解决采样问题。内置卡尔曼滤波器，采用最优化自回归数据处理DMP处理器读取测量数据然后
算法精确测量风力摆当前姿态角。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别采用了16位的ADC,将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过图3摆杆摆动示意图（图中红色为2
通过串口输出MPU6050可测量出出61的角度由图中可知12一MPU6050）
22所以01=02;根据三角函数式dsin2—
L（60cm<L<70cm）（1）中属于开环控制系统，激光笔绘制的轨迹超过50cm即可。我们可以设置摆杆倾角超过一个阈值。，0可通过摆动半径R（R>=25cm）直接计算出。然后，通过开环调节，从低到高改变风机的风速，直到摆杆的角度超过阈值，记下此时PWM波脉宽级作用时间。
图4摆杆角度姿态分析图要绘制50cm直线，只需R>25cm（R为地面运动轨迹的一半）在平面内运动即可tanR则arctan（R）其中L为摆杆与激光头的长度，a为激光头到地而的距LaLa离（a<=20cm）基本要求（2）摆动幅度可控，属于闭环控制系统，公式计算与（1）相同设置直线长度▽。（30cm<V0<60cm）MPU6050将倾角，角速度送给单片机，单片机控制风机来产生推力使摆杆摆动

系统采用PID算法来控制风机转动的速度，风机开始工作后，前摆杆摆脚状态，并与之前的状态进行比较，使得摆杆运动状态趋于稳定。PID算法控切线方向制器由4个风机速度分配比例P角度误差积分I角度微分D组成。
其输入e(t)与输出U(t)关系为：<]2U(t)P*[e(t)1_te(t)d(t)D*det)]I/■FI—L-*dt\0，}13脚向他的传递函数为:
4图5圆周运动分析图G(s)U(S)P*[1
E(s)
1
D*s]
在发挥部分(1)时
I*S
要求做圆周运动。四个直流风机1、2、3、4,1和3用来使摆杆与重力方向呈现设置的夹角，2和4用来推动摆杆沿切线方向运动，这样通过控制1、3电机的PID参数使摆杆达到设定的角度，通过2和4推动摆杆，摆杆就会沿切线运动，绘制圆形轨迹。
三、，使用手机或者电脑通过蓝牙进行渔示控制，MPU6050
，，,电源可满足需求。供给4个并联电机驱动（电调）带动风机转动，5V给单片机供电，单片
，电机驱动本身也可稳压输出5V,给激光头（）供电。
、程序功能描述
系统采用蓝牙模块控制，可通过手机或者电脑就行指令输入，令风力摆作出相应的反应。
2、程序设计思路基本要求（1）属于全开环控制，通过粗略控制便可实现，设定倾角阈值，从低到高不断增加X风机转速，直到倾角超过阈值，记录此时PWM脉宽级作用时间。
基本要求（2）需要采用闭环控制算法，计算公式与（1）相同，设定好范围后，可与（1）使用相同的方法调试。
基本要求（3）要采用受力分析，使用力的合成。
基本要求（4）拉起一定角度后，如果不提供动力，摆杆将逐渐衰减，但是速度缓慢，因此需要提供与运动方向相反的力，阻碍摆杆运动。这个过程需要注意，实时采集摆杆的角度（比例项P）,进行微分从而确定角速度（陀螺仪直接测量亦可），为微分项D,采用
类似于自平衡的PD控制算法即可发挥部分（1）可以明确，径向风机控制采用PID控制